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砼超声检测技术讲义第五部分超声脉冲检测技术的发展第一章砼超声检测技术的发展•一、全国基本建设发展迅速，质量管理加强，市场需求加大•1．“全国建设工程质量管理条例”的颁布•2．“新的砼建设工程质量验收规范”中要求对结构实体重要部位进行抽样实体检测，规定了检测•的项目、抽样的数量等。2001年9月份由建设部组织进行全国性建设工程质量大检查第一章砼超声检测技术的发展•3．一此省份（江苏、辽宁、山西等）建设厅或省质量监督总站下文要求省内各级质量监督站按标准配备现场检测仪器，并组织集团采购•4．超声检测方法已推广普及到全国所有省份（NM超声仪已遍布全国所有省份）和各种土木工程•行业，形成一支规模浩大的声测大军，而且人员素质普遍提高二、砼声测技术的国际交流加强•1.专业学会组织翻译出版2份国际土木工程无损检测论文集•2.邀请了罗马尼亚、日本等国专家来华讲学交流•3.中国声测技术走出国门：康科瑞去加拿大测大坝•国家总站承接保加利亚•福州总站去保加利亚检测•南京水科院去•4.国外工程检测实验仪器在国内销售量提高，年销售额达到1.5亿三、砼声测技术规范不断发展完善•目前国内的砼声测技术规范：•中国工程建设标准化协会标准《超声回弹综合法检测砼强度技术规程》（CECS20：88）。•中国工程建设标准化协会标准《超声法检测砼缺陷技术规程》（CECS21：2000）。•交通部行业标准《JTJ270－98水利工程砼试验规程》三、砼声测技术规范不断发展完善•建设部与地矿部《基桩低应变动力测桩规程》中声波透射法测桩基完整性单独为一章•中华人民共和国建筑工业标准《混凝土超声波检测仪》（JG/T5004－92）•一些地区性的砼声测技术规程。•另外，“超声回弹法检测砼强度技术规程”以及“砼超声仪技术规程”的修订也在酝酿之中四、新的声测技术方法不断丰富和完善尤其以反射法发展最为迅速•五、电子技术、数据采集技术和计算机技术的发展及应用•使超声仪的自动化、智能化水平大大提高，更新换代速度明显加快，信号处理软件和结果分析软件日益丰富。我国砼声测设备水平已达到国际先进水平，超声仪的出口已具备基本条件，声测仪器的发展大大推动了砼声测技术的发展。六、数字信号处理技术的发展与应用•使砼超声检测的分析处理水平由数理统计方法为主向信息处理方法发展，大大提高了检测结果的直观性和可靠性。•七、高科技企业的发展•随着国家改革开放的深化，市场经济的发展，在砼工程检测技术和仪器领域中逐步诞生和成长了一批民营高科技企业，这批企业以全新的机制和观念运作，以更快的速度发展，在市场竞争中必将推动我国砼超声检测事业的发展，成为一支新生的力量。第二章：反射波测试技术的发展•前言•在砼声测诸方法中，声波透射法应用最为广泛，但无法对单一测试面结构物进行检测，如路面、机场跑道、底板、楼板、隧道衬砌、护坡、挡土墙、大坝等，近年来，用于单一测试面的反射波方法成为砼声测技术的研究热点，并取得了一定的进展。•反射波检测技术包括：冲击回波法、冲击共振法和超声脉冲回波三种形式。冲击回波冲击共振超声脉冲回波激振源机械冲击机械冲击发射换能器激励信号单次脉冲单次脉冲重复周期脉冲分析方法反射波时域反射波频域反射波时域一、冲击回波法•原理：•图1冲击回波法原理图•利用一个短时的机械冲击（用钢球或小锤轻敲混凝土表面）产生低频的应力波，应力波传播到结构内部，被缺陷和构件底面反射回来，被安装在冲击点附近的传感器接收，从所记录的信号中判定出缺陷或结构底面的反射的走时tR，根据声波在砼中的传播速度ＶＰ即可计算出砼的厚度或缺陷的深度h：)(21RPtVh2．工程实例•图2是0.2m砼路面的一条测线上多个测点的反射波记录，其同相轴直观的显示出路面平均厚度。•图20.2m模拟路面的典型反射波记录•图3为用ＮＭ－３Ｂ超声仪在北京东单地铁站侧墙上用冲击回波法测出的单点的反射波形图•图3北京东单地铁站某侧墙冲击回波法测厚的波形图•3．冲击回波法的技术难点•由于沿表面传播的直达波在底面反射波之前到达，会干扰反射波的识别；•砼结构内部的缺陷形成的反射也会干扰反射波的识别；二、冲击共振法•1．原理•冲击共振法也是在砼表面施加一瞬间应力脉冲以产生应力波，当应力波在砼中传播时，如遇到缺陷或边界（底面）声阻抗界面时，应力波将发生多次反射。当瞬间激励的脉冲应力波适当时将产生共振。由冲击点附近的传感器记录并在频域中进行分析，获得振幅谱，谱图中的明显主峰是由冲击表面、缺陷及其它外表面之间的多次反射产生瞬态共振所致，它可以被识别出来并被用来确定结构砼的厚度和缺陷位置。•图4冲击共振法原理图•2．工程实例•图5（a）为用ＮＭ－３Ｂ超声仪在北京某住宅小区路面用冲击共振法测试路面厚度的结果，钻孔验证测厚相对误差为２％。图5（b）为现浇楼板的检测结果其设计厚度为0.15m，测试值为0.158m。••（a）0.2m厚路面测试结果（b）0.15m现浇楼楼板厚度测试结果•图5冲击共振法检测厚度的波形及幅度谱图•2001年初，康科瑞公司与长沙铁路学院合作用ＮＭ－４Ａ超声仪对株六复线小龙门隧道的混凝土衬砌厚度检测，在四个断面做了取芯验证，其结果如下表，基本可满足铁路隧道的衬砌竣工验收检测需要。检测点断面里程测试平均厚度取芯结果检测误差ＤＫ３９７＋３３０245250-2%ＤＫ３９７＋３４０431460-6%ＤＫ３９７＋６００5845702.40%ＤＫ３９７＋６４０560630-11%•图6是上述检测在现场所获得的检测结果。•（a）340里程处边墙某测点的测试结果（b）330里程处边墙某测点的测试结果•图6铁路隧道混凝土衬砌厚度检测记录•3．冲击共振法的技术难点•（1）冲击源：要求冲击器产生的冲击信号：频率范围宽（短余振）•能量适中•重复性好•常用的冲击方式有：小钢球弹击、机械冲击、电磁锤等•（2）接收传感器：工作频率宽•灵敏度高•国内外冲击共振法仪器介绍•康科瑞公司的KON—IE型冲击回波检测系统•南京水科院的IES—A型冲击反射测试系统•GERMANN仪器公司的DOCTER冲击－回波检测系统•OLSON仪器公司的IE系列冲击－回波检测系统•IMPACT－ECHO公司的IEI冲击回波检测系统（1）THICK型混凝土厚度测定仪•上述（2）—（5）四套检测系统有如下共同特点：•①系统的主机部分均采用分体式结构－笔记本电脑与数据采集系统结合，体积比较大，重量较•重（大于4Kg），携带不方便，此外，其防水、防尘等性能较差。•②冲击头均采用直径不同（2mm～25mm）的小钢球以产生不同频带的脉冲波，但所采用机械装置有所不同。•③传感器均为位移传感器（带前置放大），体积较大且比较重。•④操作比较繁琐，分析功能手段单一，只能对信号进行频域分析。•康科瑞公司的KON－IE型冲击回波检测系统的特点：•①系统主机部分采用一体化结构，体积小，重量轻（1.6kg），携带方便。整机设计方案从实际使用现场的出发，采用多种安全性稳定性措施，具有防尘、防湿、抗震、抗干扰等特点，能满足现场检测的要求。•②冲击器是采用弹性机械装置冲击方式，带有能产生不同频谱成份的冲击头，检测时可根据待检测构件混凝土的设计厚度选择相应的冲击头，使用方便、测试一致性较好。康科瑞公司的KON－IE型冲击回波检测系统的特点：•③用于混凝土厚度测试的传感器为加速度型传感器，具有工作频带宽、灵敏度高、横向灵敏度小、体积小、重量轻、安装方便、不易损坏等优点。•软件部分主要包括系统控制软件、时域分析软件、频域分析软件等，系统控制软件主要控制信号的采集、显示与存、取，时域分析软件主要对信号进行时间域的分析，包括数字滤波、积分处理等，而频域分析软件主要对信号进行幅值谱分析。软件操作比较简便，且功能齐全。三、超声脉冲回波法•1.原理•在被检测材料表面放置发、收两只宽带窄脉冲超声探头（如图7所示），先在厚度已知的同类试件上用透射法或反射法测得其声速Ｖ，然后在被测试件上按图7所示，测得其反射回波到达声时t，则被测混凝土试件的厚度h为：（其中d为两探头间距）22221dtvh•图7超声脉冲回波法2.工程实例•图8为同济大学用宽带窄脉冲超声探头检测砼路面厚度测试波形，钻孔验证厚度测试相对误差为4.1％。•图8上海平凉路路面测厚接收波信号四、孔径的超声成像技术•1.原理•超声波孔径成像是一种了解大口径钻孔或地下洞穴的孔壁状态或孔径、孔斜探测方法，基本原理是利用超声波通过孔中液体（或空气）作为传导介质对孔壁进行3600的逐层扫描，超声波探头在孔中下降或提升过程中，同时匀速转动，向孔壁发射和接收孔壁的超声反射脉冲，可得到逐层的或螺旋式连续的孔壁3600的超声回波信号，从而可直观地获得孔壁3600展开的柱状图，通过对超声回波参数的简单分析或计算，便可获得钻孔或洞穴的几何形态或孔壁状态的情况。2.孔壁超声检测仪和工程实例（1）江苏地震工程研究院用康科瑞公司的NM-3A超声仪和专用的软件，用上述方法成功地进行了钻孔倾斜度的测试。（见图11）图11超声波检测钻孔径及孔斜（2）日本KAIJO公司的KE—200侧壁测定仪及测试结果打印图KE-200侧壁测定仪KE—200侧壁测定仪测试结果打印图第三章砼超声层析成象（CT）（CompntergtdTomographty）•一、原理•1．工程CT（计算机层析成象）是医学CT在工程上的延拓•工程CT分为：弹性波CT、电磁波CT、电阻率CT•砼超声波CT属于弹性波CT•2.测试方法：是在被测工程体剖面进行透射，孔间激发与接收，一孔激发声波，另一孔扫描式接收，获取各个方向的声波走时，扫描范围一般应等于或大于剖面跨距。•把剖面划分为等面积的小网格单元，每一个小网格单元内至少要有二条测线通过。•3．计算：•用N条射线走时方程求解M个网格声速，不能用求解线性方程的方法，而是用迭代法求数值近似解，即用计算机反演技术重建测试剖面的声速场的分布。•计算方法最常用的是ART（代数重建技术）•4．分辨率与精度的矛盾：•在测线数一定的条件下：要提高分辨率网格变小，网格数增加，未知量增加•计算精度降低降低了分辨率•所以要注意的射线布置，划定适当的网格，以达到最佳效果5.CT时要满足以下条件•（1）每一个小网格单元被视为是均匀的介质体•（2）每一个小网格单元内至少要有二条测线通过•（3）每一个小网格单元边长应该大于测试声波的波长•在上述条件下，如果剖面内的异常体（缺陷）的线度大于2倍的网格尺寸，且声的物性差异不小于5％，就可以确定出异常体的位置和性质。二、CT成象的结果表示形式•1.弯曲射线图－给出声波从激发点到接收点的路径•2.色谱图－用不同色谱直观地反映剖面声速的分布•3.波速等值线图－用等值线反映剖面声速的分布三、CT的应用实例•1．大型水利枢纽工程坝体CT检测•1994年黄委会勘测规划设计院物探总队对黄河小浪底主坝防渗墙墙体质量用CT法进行检测•1998年北京市政工程院（康科瑞公司）和长科院对加拿大安大略省OttoHolden大坝用CT技术探测坝体与基岩的情况•2．桩基砼质量CT检测2000年南京水科院对某高层建筑S9号桩的－11.2～-13.8m之间的砼桩质量进行CT检测在此次检测中，使用了CJF－40型串式换能器，由10个或10个以上的换能元件串连在同一根多芯电缆上，经过多点转换器与超声仪联接，换能器频率为30～40KHz，大大加快了检测工作进程。•灌柱桩声波CT成像•Width(cm)南京水利科学研究院四、CT应用软件•对钻孔灌注桩、坝体、基础墙体等结构的声波透射法CT检测，随着自动提升装置和自动扫描式检测的配套实现，多通道超声仪与串式换能器的配套实现，多种CT应用软件的完善，使孔间剖面CT成像已向工程实用阶段发展。第四章信息处理技术的进一步应用•一、小波分析方法在桩基检测中的应用•小波分析是近十年来迅速发展起来的新兴学科，是国际上掀起研究热潮的一个国际前沿领域，用小波分析方法，处理各种类型的信号，特别是分析非平衡信号、奇异性检测有显著的效果。第四章信息处理技术的进一步应用•小波分析是富里叶分析方法的突破，它克服了富里叶分